高曉通
(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830006)
路基邊坡穩(wěn)定性是確保公路項(xiàng)目施工進(jìn)度和安全運(yùn)營的關(guān)鍵因素之一。 公路邊坡穩(wěn)定性易受到地形地貌、施工技術(shù)等因素影響,尤其是山區(qū)公路,往往會(huì)遇到較大規(guī)模的高填深挖,改變原有的地質(zhì)條件,可能導(dǎo)致滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失及不良的社會(huì)影響。 選擇經(jīng)濟(jì)、合理、可行的邊坡防護(hù)措施,已經(jīng)成為工程技術(shù)人員需要解決的重要問題。 目前常用的路基邊坡加固方案主要有錨桿(索)框架梁、擋土墻、三維網(wǎng)植草、預(yù)應(yīng)力錨索(桿)、圬工防護(hù)等。
近年來,國內(nèi)外研究人員及工程師也通過理論公式計(jì)算、離心模型、原位監(jiān)測等措施來探討了巖土項(xiàng)目的錨固機(jī)理、加固效果及設(shè)計(jì)理念,并提出大量有價(jià)值的研究成果[1]。 但是,設(shè)計(jì)人員在開展公路設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí),仍以工程類比法為主,為了確保工程有較高的安全冗余度,設(shè)計(jì)方案一般較保守,從而導(dǎo)致工程費(fèi)用過高, 故分析路基邊坡安全系數(shù)的變化機(jī)理及錨固方案優(yōu)化具有十分重要的工程意義。
極限平衡法是公路項(xiàng)目中應(yīng)用最廣泛的一種路基邊坡計(jì)算方法,一般假設(shè)路基邊坡的潛在滑動(dòng)面為直線或圓弧形,并根據(jù)邊坡邊界條件,對(duì)可能出現(xiàn)滑坡的若干個(gè)滑動(dòng)面進(jìn)行力學(xué)分析,建立土體強(qiáng)度和作用荷載之間的平衡條件,給出相應(yīng)的安全系數(shù)。 極限平衡法不能考慮巖土體的應(yīng)力歷史、加載-卸載過程等, 但其計(jì)算方法簡便、 計(jì)算結(jié)果可靠。 目前常見的極限平衡法一般包括瑞典條分法、畢普肖法、薩爾瑪法(SARMA)法[2]。
(1)瑞典圓弧法
瑞典條分法是假定土質(zhì)路基邊坡潛在滑動(dòng)面為圓弧形,而分析巖體邊坡穩(wěn)定性時(shí),必須是破碎或松散巖體才具備可行性,主要原因在于完整巖體邊坡的滑動(dòng)面往往是折線形,與瑞典圓弧法的理論矛盾。
(2)畢普肖法
畢普肖法是對(duì)瑞典圓弧法的一種改進(jìn),同樣適用于滑動(dòng)面為圓弧的土質(zhì)邊坡。 該方法是將滑坡體劃分成多個(gè)寬度相同的垂直條塊(如圖1 所示),并以滑動(dòng)圓弧的圓心為力矩中心點(diǎn),計(jì)算得到抗滑力矩與下滑力矩的比值即為邊坡安全系數(shù)[3]。
圖1 畢普肖法的力學(xué)分析
(3)SARMA 法
SARMA 法應(yīng)用較廣泛, 不僅能計(jì)算潛在滑動(dòng)面為直線、折線、圓弧形的路基邊坡安全系數(shù),還能考慮以巖體的斷層、 節(jié)理等來劃分滑坡體的條塊,并能夠?qū)麻_展反分析,求出滑動(dòng)面的粘聚力和內(nèi)摩擦角。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)值計(jì)算法在巖土計(jì)算領(lǐng)域地應(yīng)用日益普遍, 一般包括有限元法、有限差分法、離散元法等,其中有限元法的應(yīng)用最廣泛[4]。 有限元法能用來計(jì)算巖土體的彈性、彈塑性、流變、大變形問題等,并能夠給出巖土體的應(yīng)力應(yīng)變大小和分布規(guī)律,以便于更好地分析路基邊坡的失穩(wěn)變形機(jī)制。
研究成果表明,錨桿(索)加固技術(shù)可以充分發(fā)揮巖土體本身強(qiáng)度和潛力,控制工程變形,幾乎成為應(yīng)對(duì)公路邊坡失穩(wěn)破壞的最為經(jīng)濟(jì)、有效的措施之一。
天然狀態(tài)下的路基邊坡往往受到潛在滑動(dòng)面以上巖土體切向力、滲透水及其他荷載,而其穩(wěn)定性主要是由邊坡可能滑動(dòng)面巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)來維持[5-6]。 為了避免邊坡失穩(wěn)破壞,錨固力必須能使作用在滑動(dòng)面上的所有力系保持平衡,即抗滑力矩大于下滑力矩,加固原理如圖2 所示:
圖2 邊坡錨桿加固機(jī)理
式中: f——土層的摩擦系數(shù),無量綱;
r——圓弧滑動(dòng)面的半徑;
C——土層的粘結(jié)力。
由此可知,錨桿可以將滑坡推力傳遞到更深的穩(wěn)定地層中, 利用穩(wěn)定地層的錨固作用和被動(dòng)抗力,使得邊坡保持穩(wěn)定狀態(tài)。 錨桿阻止滑坡體下滑主要源于潛在滑動(dòng)面上錨桿與巖土體的相互作用,此時(shí)錨桿均可視作一個(gè)個(gè)約束點(diǎn),每個(gè)約束點(diǎn)均可提供正壓力和上提力,前者可以阻止滑坡體與穩(wěn)定巖土體分離,后者可以阻止滑坡體的下滑。 當(dāng)這些約束點(diǎn)的數(shù)目、位置和強(qiáng)度布置合理時(shí),才能夠充分發(fā)揮錨桿的錨固作用,使邊坡保持穩(wěn)定狀態(tài)。
(1)邊坡地質(zhì)概況
依托項(xiàng)目為某山區(qū)公路,沿線地質(zhì)條件較為復(fù)雜,可能存在較多高陡路基邊坡。 路基邊坡的巖體基本都是強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖, 完整性和穩(wěn)定性較差。 同時(shí),根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,場區(qū)處于相對(duì)較穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境,場地土屬中硬土,無地震作用下的可液化地層,地震基本烈度為Ⅵ度,路基邊坡巖體的設(shè)計(jì)物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1:
表1 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖計(jì)算參數(shù)
(2)計(jì)算模型
路基邊坡高度為20 m,分兩級(jí)(每級(jí)10 m)開挖,每級(jí)設(shè)2 m 平臺(tái),坡腳為60°。 邊坡模型尺寸如圖3 所示:
圖3 邊坡計(jì)算模型
FLAC3D 軟件可以用cable 單元來模擬全長粘結(jié)錨桿結(jié)構(gòu)及其與巖體之間的接觸面,但應(yīng)當(dāng)將錨桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理,即將錨桿視作理想的兩節(jié)點(diǎn)直線單元,且直線段的截面及材料參數(shù)完全相同。
在確定設(shè)計(jì)參數(shù)、建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件等工作完成之后,對(duì)邊坡穩(wěn)定性開展驗(yàn)算,得到了天然狀態(tài)路基邊坡的安全系數(shù)為0.98,小于《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)的規(guī)定值1.2,故需要進(jìn)行加固處理。 路基邊坡加固應(yīng)按照“強(qiáng)腳固腰”原則[7],采用全長粘結(jié)錨桿對(duì)一級(jí)和二級(jí)邊坡進(jìn)行防護(hù),錨桿布置間距、長度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析如下。
在錨桿長度(12 m)和錨桿傾角(15°)不變前提下,將錨桿布置在圖4 所示位置,各個(gè)位置相應(yīng)的高度分別為1 m、3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m、15 m、17 m、19 m。
圖4 錨桿布置位置示意圖
利用FLAC3D 得到了錨桿在邊坡不同位置處的軸力大小及相應(yīng)的安全系數(shù),見表2:
表2 錨桿軸力和安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果
計(jì)算結(jié)果表明,隨著錨桿軸力的增加,錨桿的錨固效果變好,安全系數(shù)也不斷增大,且兩者之間基本呈線性正相關(guān)的關(guān)系。 這樣就可以利用錨桿軸力的差值來間接分析多根錨桿在不同布設(shè)間距下的錨固效果及其對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響。
在錨桿長度縱向間距(2 m)和錨桿傾角(15°)不變的前提下,將錨桿按表3 來布置,分析長度分別為6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m 的錨桿加固下的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律。
計(jì)算結(jié)果表明, 當(dāng)邊坡錨桿加固長度小于15 m時(shí),隨著錨桿長度的增加,邊坡安全系數(shù)也逐漸增大,但兩者之間為非線性正相關(guān);當(dāng)邊坡錨桿加固長度大于15 m 時(shí), 邊坡穩(wěn)定性增長不明顯, 錨桿加固長度18 m 相對(duì)于15 m,邊坡的安全系數(shù)僅提高了1.21%,可以忽略不計(jì);當(dāng)邊坡錨桿加固長度大于18 m 時(shí),增加錨桿加固長度反而會(huì)導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)降低。
表3 錨桿軸力和安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果
(1)邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡法和數(shù)值計(jì)算法,前者包括瑞典圓弧法、畢普肖法、SARMA法等,后者包括有限元法、有限差分法、離散元法等;
(2)錨桿能傳遞滑坡推力傳遞到更深的穩(wěn)定地層中,使得邊坡保持穩(wěn)定狀態(tài),錨桿可視作一個(gè)個(gè)約束點(diǎn),為滑坡體提供正壓力和上提力。 當(dāng)這些約束點(diǎn)的數(shù)目、位置和強(qiáng)度布置合理時(shí),才能夠充分發(fā)揮錨桿的錨固作用;
(3)隨著錨桿軸力提高,錨桿地錨固效果變好,安全系數(shù)也持續(xù)增大,且兩者之間基本呈線性正相關(guān)關(guān)系;
(4)當(dāng)邊坡錨桿加固長度大于15 m 時(shí),邊坡安全系數(shù)增加很小, 當(dāng)邊坡錨桿加固長度大于18 m時(shí),邊坡穩(wěn)定性反而降低。 因此,從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面來分析,該邊坡的錨桿加固長度可取15 m。